Individální projekty MPOA

Tato práce se zabývá návrhem a realizací radarového čidla HB100. Jedná se o senzor měření rychlosti, jehož princip je založený na Doplerově jevu. Výsledná frekvence je dána rozdílem přijaté a vyslané frekvence (10.525 GHz). Modul má výstup pro analogový signál, který chrakterizuje detekovaný pohyb (sinusový signál o frekvenci dané rychlostí objektu). Tento signál bylo nutno zesílit, proto byla vztvořena externí destička, která mimo jiné slouží i k napájení senzoru (+5V). Součástí měřicího přístroje je výpočetní jednotka, která zpracovává data z modulu pomocí FFT z knihovny CMSIS (DSP). Jako výpočetní jednotka byla zvolena vývojvá deska STM32F4 Disco. Ta mimo zpracování dat a napájení senzoru slouží také k přenosu informací do PC. Přijatá data jsou v PC zobrazena ve skriptu v jazyce Python. Přenos je realizován pomocí virtuálního COM portu.

Na obrázku je schéma externí destičky. Velikost zesílení byla zvolena tak, aby bylo možné detekovat pohyb v přímé blízkosti senzoru pro jednodušší testování.Výsledný analogový signál ze senzoru je přiveden na AD převodník ADC 1 (pin PA1)

K vytvoření firmwaru sloužil nástroj STM32CubeMX, schopný generovat kód s již nakonfigurovanými periferiemi (ADC, VCP ..). Jako uživatelské rozhraní posloužilo IDE od IAR EW, které má knihovnu CMSIS - DSP v základu.
CMSIS nabízí mnoho způsobů výpočtu spektra, mezi nejpoužívanější patří výpočet komplexní (CFFT) a reálného (RFFT) FFT. V kódu jsou implementovány oba způsoby a na následujících obrázcích je jejich srovnání. Obě dvě spektra jsou měřeny bez pohybu ve vnějším okolí.

Na levém obrázku je spektrum RFFT a na pravém CFFT (resp. jeho modul). Oproti CFFT má RFFT jednodušší výpočet, ale vykazuje vyšší zašumění spektra. Pro realizaci byl vybrán CFFT s výpočtem modulu. Data byly vyextrahovány z debuggeru IAR a vykresleny v matlabu.

Pro přesné určení frekvence z modulu je nutné nastavit rozlišení spekrta. Toto rozlišení je dané velikostí tzv. „Binu“. Bin je disktrétní elementátrní hodnota vypočteného spektra. Výpočet binu se realizuje podílem - vzorkovací frekvence/počet prvků, kde maximální hodnota prvků je 2048 a vzorkovací frekvence je dána nstavenou rychlostí ADC. Minimální vzorkovací frekvence ADC je 1,3125 MHz (předdělička 16 pro PCLK2 a 8 pro samotné ADC). S touto frekvencí vychází velikost binu (tedy i minimální rozlišení) na 641 Hz, takto hrubá velikost je nevhodná (chůze = 100Hz). Proto je mezi vzorky vloženo úmělé zpoždění k snížení vzorkovací frekvence. Nevýhodou této metody je, že nelze přesně určit velikost vzorkovací frekvence, ta je nyní dána zpožděním HAL_delay a dobou provedení instrukcí (navzorkování ADC, uložení atd.). Předpokládám vyšší uplatnění doby zpoždění HAL_delay(0.8). Vzorkovací frekvence bude tedy 1250 Hz a velikost binu 0.61 Hz.

    for(int i = 0;i < TEST_LENGTH_SAMPLES;i++){  //delka 2048
 
			HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
			testInput[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
                        HAL_Delay(0.8);// snizeni vzorkovaci frekvence
 
		}

Po navzorkovaní je na vstupní data aplikována CFFT a kde je poté detekován bin s nejvyšší hodnotou pomocí arm_max_f32(). Před detekcí je navíc nulována stejnosměrná složka, aby nedošlo k její detekci. Pokud maximální hodnota vyhovuje podmínce tresholdu je poslána pomocí VCP do PC. Podmínka treshold se uplatní v případě, že v okolí není detekován pohyb. Potom do PC vyšle hodnotu 0.

    /*vypocet CFFT*/
    arm_cfft_f32(&arm_cfft_sR_f32_len1024, testInput, ifftFlag, doBitReverse);
    /* vypocet modulu */
    arm_cmplx_mag_f32(testInput, testOutput, fftSize); 
    /*nulovani stejnosmerne slozky*/
    testOutput[0] = 0;
    /*vypocet max hodnoty modulu*/
    arm_max_f32(testOutput, fftSize, &maxValue, &testIndex);
 
    /*podminka - citlivost detekce pohybu*/
    if(maxValue <= THRESHOLD)
      testIndex = 0;
    position = testIndex; 

Dalším krokem je poslání výsledku pomocí sériové linky do PC, kde jsou data zpracovány. Ty jsou ve firmwaru poslány následovně.

    sprintf(buffer,"%d\r\n0000",position); 
    CDC_Transmit_FS(buffer,6);// max 4ciferne cislo + /r + /n = 6

V proměnné position je uložena aktuální pozice maximálního binu. Tato hodnota je uložena jako string do buffer a prvních 6 bytů buffer je posláno po lince. Na příjmací straně jsou pomocí knihovny serial (python) data dekódovány po znak\n včetně. Na příjmací strně může dojít k problémům ve vyrovnávací paměti. Pokud z vývojové desky například posíláme jednociferné číslo například 1, tak poslané data budou mít tvar buffer = „1 /r /n X X X “ kde X představují nahodilé hodnoty. Skript v pythonu dekóduje hodnotu 1 bez problému, ale ve vyrovnávací paměti zůstanou zbylé tři nedefinované hodnoty, které se připojí na začítek dalších dat. Problém řeší definování hodnot X jako nuly, které výslednou hodnotu neovlivňují.

Skript v pythonu po spuštění vykresluje graf rychlosti (km/h) v reálném času.

    data = data*((1/0.0008)/2048) #prepocet bin->frekvenci
    y.append((data)/(19.49))# prepocet na rychlost km/h datasheet

Ukázka videa:https://www.youtube.com/watch?v=JGoTKWbEG4E&feature=youtu.be

Pro kontrolu byly navzorkovány data stejného pohybu a transformována do spektra v Matlabu. Na obrázku je znázorněné spektrum pohybu větráku. Spektrální čára 654.bin odpovídá rychlosti 20,48 km/h a 327.bin odpovídá 10,24 km/h. Na binu 1024 dochází k zrcadlení spektra. Detektor není vytvořen k detekci kruhového pohybu, proto dochází ke generaci dvou harmonických signálů.

https://mega.nz/#F!L0cUwKLJ!BFwxEzVCoT_sDPsceQKR3Q